2025【基于有限元分析的商用车前轴轻量化设计（论文）】13000字.doc

第二扑优化相关的基本原理与HyperWorks

第二扑优化相关的基本原理与HyperWorks软件介绍

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基于有限元分析的商用车前轴轻量化设计

摘要

作为汽车轻量化的重要方法之一，汽车零部件的结构优化至关重要。汽车前轴作为汽车底盘的重要零件，承载着汽车的前质量，将汽车的前推力从车架传递到车轮，并与转向装置的相关部件铰接，实现汽车的转向。在保证前桥的使用性能不变的同时，对汽车前桥进行结构优化设计，以下是研究的主要内容:首先，通过Solidworks建立前轴的三维模型。在前轴的建模过程中，考虑到后期有限元分析能够形成高质量的网格，在保证前轴结构特性的情况下，对前轴的结构进行局部简化。之后将三维模型导入Hypermesh有限元前处理软件中，生成前轴的有限元模型，进行有限元分析，根据前轴实际的运行工况，选择分析三种行驶工况，对前轴进行施加载荷，对前轴的结构强度进行验证。然后基于三种工况对前轴的拓扑优化，进行优化仿真。得到了优化后的前轴模型。根据前轴仿真结果，对前轴进行轻量化优化设计，建立轻量化前轴的三维模型，再次生成有限元模型，并进行仿真分析，检验优化后的前轴模型的安全性和可靠性。经过验证，轻量化前轴的强度，刚度均符合使用要求，设计达到预期目标。

关键词:前轴，结构优化，Solidworks，轻量化，有限元分析，拓扑优化

目录

TOC\o1-3\h\u1.绪论 1

1.1研究背景和意义 1

1.1.1研究背景 1

1.1.2研究意义 2

1.2国内外研究现状 2

1.3本文研究内容 3

2.前轴结构几何建模 5

2.1汽车前轴 5

2.2Solidworks软件介绍 5

2.3前轴模型的建立 7

3.前轴结构有限元分析 8

3.1有限元法基本理论 9

3.2有限元软件介绍 9

3.3有限元建模 9

3.4有限元分析 10

3.4.1工况与边界条件 10

3.4.2仿真结果分析 13

4.前轴结构轻量化设计 17

4.1拓扑优化模型介绍 17

4.2结构拓扑优化设计 17

4.3优化结果分析与工程诠释 18

5.前轴结构优化性能分析 21

6.总结与展望 25

6.1总结 25

6.2研究展望 25

参考文献 27

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1.绪论

1.1研究背景和意义

1.1.1研究背景

随着我国的人均收入不断提高，我国的汽车保有量也在逐年攀升，汽车销量已经连续十年位居世界首位，燃油的消耗量也在不断增加，使得等温室气体的排放越来越高，空气污染越来越严重。中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和的“双碳”目标，体现了中国应对气候变化的雄心和力度REF_Ref12019\w\h[1]。目前，国家有关部门对能耗和排放制定了一系列标准，这对汽车节能减排技术提出了更高要求（张嘉明,成泽宏,2022)。对于汽车行业来说，除了加快清洁燃料的开发，提高燃料利用率也是现阶段降低汽车污染排放的有效措施。

汽车轻量化在保证汽车安全性和使用性能不变的前提下，尽量减小汽车的整备质量，从而有效的降低油耗，减小排放，也提高了汽车的动力性。实验证明，如果汽车整体质量降低10%，那么燃油的消耗就能够降低6%-8%REF_Ref21\w\h[2]；汽车整备质量每减少100kg，每百公里油耗量可降低0.3升-0.6升，在此类情况下二氧化碳排放量能够减少约5克/公里。汽车的整备质量占到汽车总质量的30%左右。这就意味着，在汽车空载的情况下，将会有70%的燃油消耗在车身的重量上REF_Ref15758\w\h[3]。因此，对汽车进行轻量化技术的研究，可有效的降低材料消耗，降低生产成本，减少对环境的污染(成文博,陈欣怡,2023)。从驾驶的角度来看，从这些应用可以了解到汽车实现轻量化后，汽车的动力性，操纵稳定性，以及驾驶平顺性都将大大提高。从安全性角度来看，由于汽车质量减小使汽车的惯性减小，因而汽车的制动距离也将会得到改善。

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1.1.2研究意义

在前轴的设计改进过程中，研究人员大多采用经验公式进行计算，或通过制造样车，进行实车实验，通过对得到的实验数据进行分析，对零部件进行改进，虽然可以直观看到实验结果，但是不能够准确计算出零部件在不同工况下的受力情况，导致前轴研制周期长，产品更新缓慢，产品性能提升不明显。在这样的状况里针对这些问题，通过采用CAE技术，重点研究汽车前轴在紧急制动工况，侧